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射流空化对大豆11S球蛋白结构和功能特性的影响射流空化对大豆11S球蛋白结构和功能特性的影响 解长远，王中江，郭增旺，翟宇玉，滕 飞*，李 杨* （东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030） 摘要：以大豆11S球蛋白为研究对象，探究射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白结构（荧光光谱、傅里叶变换红外光谱、表面疏水性以及羰基、巯基和二硫键含量）与功能特性（溶解度、乳化特性、起泡特性）的影响。结果显示：在射流空化处理下，2 g/100 mL与5 g/100 mL大豆11S球蛋白的荧光最大吸收波长（λmax）随处理时间的延长呈先红移后蓝移的趋势，荧光强度呈先升高后降低的趋势，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白λmax均大于2 g/100 mL;2 g/100 mL大豆11S球蛋白中α-螺旋与β-折叠转变为β-转角，在处理末期，β-转角向α-螺旋转变，无规卷曲结构相对含量在处理过程中变化不明显;5 g/100 mL大豆11S球蛋白中α-螺旋、β-折叠与β-转角转变为无规卷曲结构，在处理末期，无规卷曲和β-转角向α-螺旋和β-折叠转变;两种质量浓度的大豆11S球蛋白表面疏水性、羰基与游离巯基含量均随处理时间的延长呈先升高后下降的趋势，二硫键含量呈现先下降后升高的趋势;11S球蛋白的溶解度、乳化特性与起泡特性均得到明显改善，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白与2 g/100 mL大豆11S球蛋白相比，结构和功能特性的变化更明显。结果表明：射流空化技术可改变大豆11S球蛋白的结构，进而改善其溶解、起泡和乳化特性，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白的展开与聚集程度更明显，功能特性更佳。 关键词：射流空化;大豆11S球蛋白;结构;功能特性 大豆蛋白营养价值高，有着良好的功能特性[1]。根据沉降系数，大豆中的蛋白质可分为2S、7S、11S和15S蛋白。7S与11S球蛋白占大豆蛋白质量70%左右，对大豆蛋白营养价值与功能特性的影响起决定作用[2]。11S球蛋白中含有丰富的含硫氨基酸，其含量远高于7S球蛋白，人体自身无法合成的蛋氨酸可以通过摄入含硫氨基酸来补充。相较于7S球蛋白，11S球蛋白中的疏水性氨基酸也更多，对其乳化性影响更大[3]。此外，11S球蛋白能促进凝胶的形成，对凝胶咀嚼性、硬度和持水性的影响更为明显[4]。目前，各国学者对大豆蛋白的功能性质研究很多，但对11S球蛋白结构与功能性质的构效关系研究却鲜见报道。 近年来，通过高压、空化、射流、高温等手段对蛋白改性的技术受到广泛关注[5]。吕博等[6-7]发现利用高压均质可改变大豆分离蛋白的二级结构，改善蛋白的凝胶特性。李杨等[8]发现利用超声形成的空化效应可改善大豆分离蛋白的乳化性和乳化稳定性。许艳华等[9]研究表明利用微射流技术可提高大豆蛋白的起泡稳定性、溶解度和吸油性。曾剑华等[10]研究表明大豆蛋白的溶解性与乳化性可通过热处理来改善。射流空化技术作为一种高新技术，在食品领域开始受到关注，射流空化形成的空化效应以及在其流道内产生的高速湍流剪切、瞬间流道高压力差、分子对冲撞击效应，使射流空化腔体内形成空化场、高压场、射流场、高温场等多重物理场效应，将超声、高压均质、射流、热处理等技术的优势集为一体[11-14];因此利用射流空化技术可对大豆蛋白产生强烈的冲击作用，但目前还鲜见应用于改性大豆蛋白领域。 （1）母岩成分：发生溶蚀作用，岩石具备的条件一定是可溶的和透水的，而贵州碳酸盐岩面积占全省面积80%之多，这对溶蚀作用提供了优越条件，这也是我国的红粘土分布主要在贵州的原因。 本实验通过分析在不同处理时间和蛋白质量浓度下，射流空化技术对大豆11S球蛋白结构与功能特性的影响，探究大豆11S球蛋白结构与功能特性之间的构效关系，为射流空化技术在蛋白改性方面的应用提供理论参考，并为高功能性大豆蛋白产品的开发提供新的技术手段。 1 材料与方法1.1 材料与试剂脱脂大豆粉（蛋白干基质量分数55%） 哈高科大豆食品有限责任公司;8-苯胺-1-萘磺酸（8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid，ANS） 上海谱振生物科技有限公司;2,4,6-三硝基苯磺酸（2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid，TNBS） 北京索莱宝科技有限公司;Lowry法蛋白定量检测试剂盒 上海荔达生物科技有限公司;2,4-二硝基苯肼、5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸)（5,5’-dithio-bis(2-nitrobenzoic acid)，DTNB）美国Sigma-Aldrich公司;亚硫酸钠、十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）、氢氧化钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、盐酸等试剂均为分析纯。 1.2 仪器与设备FD-1C型冷冻干燥机 北京德天佑科技发展有限公司;FJ-200型高速分散均质机 上海标本模型厂;DFS-Dairy-001型均质机 帝斯曼（中国）有限公司;LGR20-W型台式高速冷冻离心机 北京京立离心机有限公司;PALS型激光粒度分析仪 美国布鲁克海文仪器公司;F-4500荧光分光光度计 日本日立公司;MAGNA-IR560傅里叶变换红外光谱仪 美国尼高力公司;2L实验室小型射流空化机 北京中森汇嘉科技发展有限责任公司。 氧化锆陶瓷手表外观件是品牌手表最常用的硬材料之一，也是彩色陶瓷手表外观件的首选和主流材料。在手表上使用的氧化锆陶瓷外观件其制程通常包括制备高纯和粒度均匀并添加稳定剂增韧的超细氧化锆粉体，以及模压成型或注射成型、脱蜡排脂、真空烧结或热等静压烧结、滚抛研磨等加工工序。由于物体的颜色是由光源的光谱成分和物体表面反射或透射的特性决定的，越光滑的表面色彩越饱满鲜艳。因此氧化锆陶瓷手表外观件表面的抛光研磨质量对于其色彩极为重要，可见加工工艺之于产品质量的重要性。 1.3 方法1.3.1 11S球蛋白提取及样品制备 原料：八甲基环四硅氧烷(D4)、3-[(2,3)-环氧丙烷]丙基甲基二甲氧基硅烷、异丙醇、四甲基氢氧化铵(TMAH)、盐酸、三甲胺盐酸、氘代氯仿均为分析纯试剂；环氧封端剂为自制。 参考Nagano等[15]的方法，脱脂大豆粉与去离子水以料液比1∶15混合，用氢氧化钠溶液将pH值调至7.5，搅拌1 h后10 000 r/min离心15 min，取上清液加入亚硫酸钠使其终质量浓度为0.98 g/L，搅拌1 h后用盐酸溶液将pH值调至6.4，于4 ℃环境下静置过夜，12 000 r/min离心20 min，将所得沉淀物冷冻干燥，所得即为大豆11S球蛋白（纯度为93.27%）。 用超纯水配制质量浓度分别为2 g/100 mL与5 g/100 mL的大豆11S球蛋白溶液，用1 mol/L盐酸溶液或氢氧化钠溶液将溶液pH值调至7.0后，置于射流空化机内处理0、2、4、6、8、10、15、20 min后，冷冻干燥得大豆11S球蛋白样品。 1.3.2 荧光光谱测定 Immediately the nearly two hundred children assumed the‘Qi Building Stance’position. 参照王中江等[16]的方法。将蛋白样品溶解于磷酸盐缓冲液中，配制成质量浓度为0.3 mg/mL的蛋白溶液，测定条件为激发光谱290 nm，发射波长300～450 nm，夹缝宽度均为5.0 nm。 1.3.3 傅里叶变换红外光谱测定 团督察组每批次均督导检查，定时发布督导检查情况通报，有效推动“民族团结一家亲”结亲周群众工作和“两个全覆盖”活动的正常开展，达到100%全覆盖。无临时安排，应付检查情况，没有晚上入住，凌晨离开，未出现工作开展不彻底、打乱仗的问题，更没有出现结亲干部将农户变成住团场、住宾馆、假住户，未出现今天来明天走、代替住户、代替记录、弄虚作假、欺上瞒下等问题。 参照Surewicz等[17]的方法。称取样品2 mg，加入100 mg溴化钾，压片后测定。测定条件：环境温度25 ℃，扫描波数范围4 000～400 cm-1，波数精度0.01 cm-1，扫描次数64 次。 1.3.4 表面疏水性测定 采用ANS荧光探针法[18]。将蛋白样品溶于0.01 mol/L磷酸盐缓冲液中，配制成质量浓度为10 mg/mL的蛋白溶液，充分混合后10 000 r/min离心30 min，用相同浓度的磷酸盐缓冲液，稀释上清液至质量浓度为0.07～0.67 mg/mL（用Lowry法测定溶液中蛋白质量浓度[19]）。取不同质量浓度的蛋白溶液4 mL，加入40 μL 8 mmol/L ANS溶液，混匀后静置3 min，测定样品的荧光强度。测定条件为激发波长390 nm，发射波长490 nm，夹缝宽度均为5 nm。以荧光强度对蛋白质量浓度作曲线，曲线的初始斜率即为蛋白的表面疏水性。 结合ArcGIS平台特性，在对《中国海图图式》GB 12319—1998中的注记规范进行研究总结的基础上，设计注记控制文件，其以xml文件存储。海图注记控制文件包括两个文件，一个是注记配置文件，一个是缩略词文件。根据建立的注记控制文件，使用Maplex引擎自动生成海图标注。Maplex引擎是ArcGIS平台的高级智能标注引擎，提供了丰富的高级注记功能，可以进行复杂的注记配置。 1.3.5 巯基和二硫键含量的测定 参考Shimada等[20]的方法。游离巯基含量：用0.01 mol/L磷酸盐缓冲液将样品配制成质量浓度为20 mg/mL的蛋白溶液，取2 mL蛋白溶液，加入5 mL Tris-Gly缓冲液（0.086 mol/L Tris、0.09 mol/L Gly、4 mmol/L乙二胺四乙酸二钠，pH 8.0）中，再加入0.10 mL 0.01 mol/L Ellman试剂，混匀后在25 ℃下反应15 min，测定其在412 nm波长处的吸光度。总巯基含量：取2 mL 20 mg/mL蛋白溶液，加入5 mL Tris-Gly缓冲液（含8 mol/L尿素和质量分数0.5% SDS），再加入0.10 mL 0.01 mol/L Ellman试剂，混匀后在25℃下反应15 min，测定其在412 nm波长处的吸光度。两种测定方法均以不加Ellman试剂的溶液作为空白对照。巯基与二硫键含量分别按式（1）、（2）计算。 
式中：1.36×104为Ellman试剂的摩尔消光系数/（L/（mol·cm））;A412 nm为样品溶液在412 nm波长处的吸光度;n为稀释倍数;ρ为蛋白质量浓度/（mg/mL）。 1.3.6 羰基含量测定 参考Lertittikul等[21]的方法。取0.2 mL 5 mg/mL蛋白溶液，加入0.5 mL含10 mmol/L 2,4-二硝基苯肼的HCl溶液（2 mol/L）混合，于30 ℃水浴锅中反应1 h。在各样品中加入0.5 mL质量分数40%的三氯乙酸溶液，混匀后静置10 min，10 000 r/min离心20 min，所得沉淀用1 mL的乙醇-乙酸乙酯（1∶1，V/V）溶液洗涤3 次，将蛋白悬浮于0.6 mL 6 mol/L盐酸胍溶液中，于37 ℃水浴锅中保温30 min。以不含2,4-二硝基苯肼的溶液为空白对照，用分光光度计测定其在350～390 nm范围内的最大吸光度，摩尔消光系数为22 000/（L/（mol·cm）），用最大吸光度计算羰基含量，以每克蛋白质所含羰基物质的量表示（μmol/g）。 1.3.7 溶解度测定 将蛋白样品溶于去离子水中，配制成质量浓度为20 mg/mL的蛋白溶液，搅拌1 h后于12 000 r/min下离心20 min，上清液经适度稀释后，采用Lowry法测定其蛋白质量[19]。溶解度按式（3）计算。 
1.3.8 乳化性和乳化稳定性的测定 参照Tang等[22]的方法。将蛋白样品配制成质量浓度为2 mg/mL的溶液，与大豆油以体积比3∶1混合，以10 000 r/min乳化1 min后，取50 μL加入到5 mL质量分数为0.1% SDS溶液中混匀。在500 nm波长处分别测定0 min和30 min时乳液的吸光度。乳化活性指数（emulsifying activity index，EAI）及乳化稳定性指数（emulsifying stability index，ESI）分别按式（4）、（5）计算。 
式中：T为反应速率常数（2.303）;A0为0 min时乳液吸光度;A30为静止30 min后的乳液吸光度;n为稀释倍数（100）;ρ为乳化液形成前蛋白水溶液中的蛋白质量浓度/（g/mL）;φ为乳化液中油体积分数/%。 1.3.9 起泡性和泡沫稳定性的测定 参考Watanabe等[23]的方法，将100 mL 1 g/100 mL的蛋白溶液以17 500 r/min均质2 min，记录均质后泡沫体积与静置30 min后泡沫体积。起泡性和泡沫稳定性分别按式（6）、（7）计算。 近年来，我国第三方物流业不断增长，平均年增长速度在20%左右，2010年我国第三方物流企业业务收入达5390亿美元，截至2014年底，破9000亿美元，达到9380亿美元[1]。近年来也在持续增长。 
式中：V0为均质后泡沫体积/mL;V1为蛋白溶液体积（100 mL）;V30为静置30 min后泡沫体积/mL。 第三，开磷拥有较强的规模优势。目前，开磷磷矿石年开采能力接近1000万吨，化肥年生产能力573万吨，高浓度磷复肥生产能力位居国内第二，国际第四。 1.4 数据处理与分析采用OriginPro 8.5软件制图，使用SPSS 19.0软件进行差异显著性分析和方差分析，P＜0.05为差异显著。每个实验重复3 次，结果表示为平均值±标准差。 2 结果与分析2.1 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白的最大吸收波长与荧光强度的影响表 1 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白的最大
吸收波长（λmax）与荧光强度的影响
Table 1 Effect of jet cavitation treatment time on maximum absorption wavelength (λmax) and fluorescence intensity of 11S globulin at different concentrations  处理时间/min 2 g/100 mL 5 g/100 mL λmax/nm 荧光强度 λmax/nm 荧光强度0 319 651.5 318 646.1 2 321 842.2 327 1 162.3 4 322 1 152.1 328 1 347.4 6 322 1 187.3 330 1 413.6 8 321 1 113.3 326 1 279.2 10 319 981.4 326 990.4 15 319 738.8 326 922.2 20 319 697.1 324 680.1
如表1所示，随着射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL与5 g/100 mL大豆11S球蛋白的荧光λmax均呈先红移后蓝移的趋势，荧光强度呈先升高后降低的趋势，且在处理时间为6 min时红移距离和荧光强度均达到最大;在不同射流空化处理时间下，5 g/100 mL大豆11S球蛋白λmax均大于2 g/100 mL。这可能是因为随着处理时间的延长，射流空化产生的高速湍流剪切、分子对冲撞击效应以及流道内部的高压力差，使蛋白内部结构逐渐展开，部分处于分子内部疏水环境的色氨酸残基暴露在外部亲水环境中，使荧光强度增大并出现λmax红移现象[24]。但继续延长处理时间，大豆蛋白的空间结构进一步展开，蛋白分子间的次级键、共价键以及疏水相互作用等使蛋白发生聚集，部分色氨酸残基被包埋，生色基团转移到疏水环境中，使荧光强度下降，λmax蓝移。而5 g/100 mL大豆11S球蛋白的亚基或多肽链之间相互接触机率比2 g/100 mL时大，高质量浓度的蛋白溶液更易在射流空化腔体内发生有效碰撞，使5 g/100 mL大豆11S球蛋白的内部结构暴露程度更大，并随着处理时间的延长，聚集也更加明显。这表明射流空化技术可以调控蛋白分子的解聚和聚集，且与射流空化处理时间及蛋白质量浓度有关。 2.2 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白二级结构的影响 图 1 射流空化处理时间对2 g/100 mL大豆11S球蛋白二级结构的影响
Fig. 1 Effect of jet cavitation treatment time on secondary structure of 2 g/100 mL 11S globulin
 图 2 射流空化处理时间对5 g/100 mL大豆11S球蛋白二级结构的影响
Fig. 2 Effect of jet cavitation treatment time on secondary structure of 5 g/100 mL 11S globulin
表 2 射流空化处理时间对2 g/100 mL大豆11S球蛋白二级结构相对含量的影响
Table 2 Effect of jet cavitation treatment time on secondary structure content of 2 g/100 mL 11S globulin  注：同列肩标小写字母不同表示显著差异（P＜0.05）。表3同。 处理时间/min α-螺旋相对含量/%β-折叠相对含量/%β-转角相对含量/%无规卷曲相对含量/%0 19.13±0.07b 36.20±0.11a 23.13±0.07f 21.54±0.08ab 2 19.26±0.08b 36.17±0.16a 22.59±0.10g 21.58±0.16a 4 18.51±0.11c 35.03±0.07c 25.18±0.08bc 21.28±0.06cd 6 18.54±0.11c 35.11±0.11c 24.99±0.10d 21.36±0.11bc 8 18.52±0.10c 35.11±0.09c 25.07±0.02cd 21.30±0.90cd 10 18.54±0.14c 34.73±0.12d 25.61±0.13a 21.12±0.11d 15 18.68±0.11c 34.66±0.13d 25.34±0.13b 21.32±0.07cd 20 19.44±0.09a 35.72±0.12b 23.49±0.09e 21.35±0.10bc
表 3 射流空化处理时间对5 g/100 mL大豆11S球蛋白二级结构相对含量的影响
Table 3 Effect of jet cavitation treatment time on secondary structure content of 5 g/100 mL 11S globulin  处理时间/min α-螺旋相对含量/%β-折叠相对含量/%β-转角相对含量/%无规卷曲相对含量/%0 19.41±0.26b 37.03±0.18a 27.63±0.05a 15.93±0.08d 2 19.51±0.13ab 36.58±0.17b 26.25±0.14ab 17.66±0.11c 4 19.04±0.12c 35.06±0.08e 24.41±0.07c 21.49±0.21b 6 18.14±0.06e 36.12±0.16c 24.28±0.17c 21.46±0.22b 8 18.28±0.09e 35.61±0.04d 24.40±0.06c 21.71±0.17b 10 18.79±0.10d 36.63±0.06b 22.93±0.07e 21.65±0.10b 15 19.37±0.13b 34.04±0.18f 24.49±0.17c 22.10±0.07a 20 19.62±0.17a 35.18±0.11e 23.55±0.89d 21.65±0.08b
对傅里叶变换红外光谱图（图1、2）中的酰胺I带（1 700～1 600 cm-1）进行去卷积、二阶导数以及拟合处理，定量分析大豆11S球蛋白中的二级结构含量，其结果如表2、3所示。随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL大豆11S球蛋白二级结构变化规律为α-螺旋相对含量呈先下降后上升趋势，β-折叠相对含量整体呈下降趋势，β-转角相对含量呈现先上升后下降趋势，无规卷曲相对含量变化不明显;5 g/100 mL大豆11S球蛋白二级结构变化规律为α-螺旋相对含量呈先下降后上升趋势，β-折叠与β-转角相对含量整体均呈下降趋势，无规卷曲相对含量呈上升趋势。这可能是由于在射流空化处理下，射流空化腔体内的高剪切力、高压力差以及空化效应等导致蛋白的二级结构发生变化。由于α-螺旋与β-折叠相较于β-转角与无规卷曲呈现更稳定的结构[25]，由此可以推测11S球蛋白在射流空化技术的处理下，结构逐渐展开，分子间作用力受到破坏，从有序的结构逐渐转变为更加疏松的状态，无序结构增加，蛋白发生了解聚行为。5 g/100 mL大豆11S球蛋白的无规卷曲相对含量在射流空化处理下显著升高（P＜0.05），由此可知高质量浓度的蛋白溶液经射流空化处理后，蛋白的二级结构更加疏松，这是由于高质量浓度蛋白溶液中蛋白分子之间的相互碰撞更剧烈，射流空化腔体内的极端环境使蛋白结构的打开程度更大，产生了更多的无序结构，导致不同质量浓度大豆11S球蛋白的二级结构在射流空化处理下出现差异。这表明射流空化技术可以改变大豆11S球蛋白的二级结构。 一是营造书香校园：阅读立校。创造浓厚的阅读氛围，整合丰富的阅读资源，开展多彩的读书活动，让阅读成为师生最日常的生活方式。在全国参加新教育实验的上千所学校中，营造书香校园往往成为他们参与新教育项目的首选，他们会将学校图书馆、年级图书广场和班级图书角建设作为首先予以重视和投入的方面。这一方面源于新教育重视将阅读作为实验的起点；另一方面，学校也认识到，阅读是孩子们面临的第一个重大问题，是孩子们不可规避的第一道门槛，也是使学校焕发出勃勃生机的重要基础。 实验中心主要设备中的肌力训练及测试系统、身体成份测试仪、健康测试与评价管理系统、骨密度测试仪、有氧无氧测试系统、心电图仪、人体能量监测仪、心理测评仪等用途广泛,这些仪器设备也可在"科学健身与科学检测"、"营养与科学瘦身"、"体育养生"等公选课中介绍它们的用途和使用方法,使非体育专业的学生也能接触到这些仪器和设备.为了方便这些学生使用,实验中心加大了开放力度,建立了课余时间定期开放模式,大大提高了实验中心的作用,使得师生可以更方便地利用学校的资源,从而使实验中心辐射到多个学科.为学校、社会提供了更为丰富的资源. 2.3 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白表面疏水性的影响 图 3 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白表面疏水性的影响
Fig. 3 Effect of jet cavitation treatment time on hydrophobicity of 11S globulin at different concentrations
如图3所示，随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL和5 g/100 mL大豆11S球蛋白表面疏水性均呈先升高后降低的趋势，且在处理时间为6 min时表面疏水性达到最高。这可能是因为随射流空化处理时间的延长，11S球蛋白受射流空化腔体内的空化场、射流场、高压场、高温场等多重物理场的作用，导致蛋白结构打开，内部包裹的疏水性基团暴露，表面疏水性提高;随着射流空化处理时间的进一步延长，11S球蛋白在疏水相互作用下重新聚集，疏水基团的掩埋使蛋白的表面疏水性下降[26]。这与荧光光谱和傅里叶变换红外光谱的分析结果一致。而5 g/100 mL大豆11S球蛋白亚基或多肽链之间的有效碰撞比2 g/100 mL大豆11S球蛋白多，使高质量浓度的蛋白溶液在射流空化处理过程中，蛋白内部疏水区域的暴露程度更大，导致表面疏水性更高，使不同质量浓度11S球蛋白的表面疏水性在射流空化处理下存在差异。这表明射流空化技术可以通过改变处理时间与蛋白质量浓度影响大豆11S球蛋白的表面疏水性。 2.4 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白羰基含量的影响 图 4 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白羰基含量的影响
Fig. 4 Effect of jet cavitation treatment time on carbonyl content of 11S globulin at different concentrations
羰基含量的变化可反映出蛋白结构中的羰基以及易被外界环境氧化成羰基的氨基酸侧链（精氨酸、脯氨酸与赖氨酸等）的包埋和暴露情况[27]。因此，羰基含量可以反映蛋白的氧化程度和蛋白分子结构的变化。如图4所示，随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL与5 g/100 mL大豆11S球蛋白羰基含量呈先上升后下降趋势。这可能是在射流空化处理初期，腔体内的高温、高压力、高剪切力等极端环境使蛋白分子内部的羰基，以及易被氧化生成羰基的氨基酸侧链暴露，使羰基含量升高;延长处理时间，蛋白发生聚集，11S球蛋白的羰基与氨基酸侧链被包埋，羰基含量下降。这表明射流空化处理可使11S球蛋白的结构展开，其羰基以及易被氧化成羰基的氨基酸侧链暴露。由于蛋白质量浓度高，在射流空化处理过程中分子之间碰撞的机率更大，导致蛋白结构的展开程度更大，使更多的羰基暴露出来，随着处理时间的延长，已暴露的疏水基团使蛋白更易发生聚集，而这种聚集作用将蛋白分子的羰基与已被氧化成羰基的氨基酸侧链包埋在聚集体内部，导致在不同处理时间和不同质量浓度下大豆11S球蛋白的羰基含量存在差异。 2.5 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白游离巯基与二硫键含量的影响蛋白中巯基含量对其结构的影响较大，巯基形成的二硫键是维持蛋白空间结构的重要化学键。如图5、6所示，随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL和5 g/100 mL大豆11S球蛋白中游离巯基含量呈先上升后下降的趋势，二硫键含量呈先下降后上升的趋势，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白经射流空化处理后的游离巯基含量比2 g/100 mL大豆11S球蛋白高，二硫键含量比2 g/100 mL大豆11S球蛋白低。这表明射流空化产生的空化效应、高速剪切以及湍流作用使11S球蛋白分子伸展，维持蛋白空间结构的二硫键断裂，内部巯基暴露到蛋白分子表面，游离巯基的含量升高使蛋白表面疏水性升高，提高了蛋白的表面活性，使蛋白的乳化特性与起泡特性得到改善;继续射流空化处理，蛋白发生聚集，蛋白分子暴露的游离巯基形成了二硫键[28]。高质量浓度11S球蛋白溶液在射流空化腔体内发生有效碰撞的机率高，在射流空化处理下，高质量浓度蛋白溶液的内部结构暴露程度更大，因此经射流空化处理后的5 g/100 mL大豆11S球蛋白的游离巯基含量更高，二硫键含量更低。  图 5 射流空化处理时间对2 g/100 mL大豆11S球蛋白游离巯基与二硫键含量的影响
Fig. 5 Effect of jet cavitation treatment time on the contents of free sulfhydryl groups and disulfide bonds in 2 g/100 mL 11S globulin
 图 6 射流空化处理时间对5 g/100 mL大豆11S球蛋白游离巯基与二硫键含量的影响
Fig. 6 Effect of jet cavitation treatment time on the contents of free sulfhydryl groups and disulfide bonds in 5 g/100 mL 11S globulin
2.6 射流空化处理时间对不同质量浓度11S球蛋白溶解度的影响如图7所示，随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL和5 g/100 mL大豆11S球蛋白溶解度呈先升高后下降的趋势，在处理时间为4 min时溶解度达到最大，且此时5 g/100 mL大豆11S球蛋白的溶解度高于2 g/100 mL大豆11S球蛋白，随着处理时间的延长，溶解度略有下降，处理8～20 min时，2 g/100 mL大豆11S球蛋白的溶解度高于5 g/100 mL大豆11S球蛋白。蛋白的溶解度与其二级结构、空间结构打开程度、亲水基团暴露和分子间作用力有关。Zhao Yingying等[29]研究表明，蛋白中α-螺旋含量的减少可能导致分子间的相互作用发生变化，使蛋白转变为无序的状态，提高其溶解性;任为聪等[30]认为超声空化效应提高了蛋白质溶解性，可能是由于空化作用使蛋白质结构展开，肽键断裂，蛋白分子质量减小，更多的亲水性氨基酸处于外层;Chanasattru等[31]研究表明，空化效应可使球状蛋白分子之间的相互作用力下降，使蛋白质在溶剂中的可压缩性增强，从而更易分散在溶剂中，增强其溶解性。这和本实验上述蛋白结构的分析结果一致。这表明适当的射流空化处理可以改变蛋白的二级结构和空间结构，导致蛋白的无序结构增多和亲水基团相对增多，增强了蛋白与水的亲和力，并降低了球状蛋白分子之间的相互作用力，使蛋白更易分散在溶剂中，进而使蛋白的溶解性得到改善。但在长时间射流空化处理下腔体内的剪切和撞击作用增强了蛋白之间产生的分子间作用力，使蛋白发生聚集现象，导致蛋白的溶解度下降。由荧光光谱分析结果可知，在射流空化处理时间为4 min时，5 g/100 mL大豆11S球蛋白的展开程度比2 g/100 mL大豆11S球蛋白更大，与水的接触面积也更大，使其溶解度更高，随着处理时间的延长，11S球蛋白的聚集降低了其水合作用，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白更容易发生聚集，蛋白的水合作用降低程度也更大，因此在处理末期，2 g/100 mL大豆11S球蛋白表现出更好的溶解度。  图 7 射流空化处理时间对不同质量浓度11S球蛋白溶解度的影响
Fig. 7 Effect of jet cavitation treatment time on solubility of 11S globulin at different concentrations
2.7 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白乳化特性的影响
 图 8 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白EAI（A）和ESI（B）的影响
Fig. 8 Effect of jet cavitation treatment time on emulsifying ability index (A)and emulsion stability index (B) of 11S globulin at different concentrations
由图8可知，随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL和5 g/100 mL大豆11S球蛋白EAI与ESI均呈先升高后下降的趋势，在处理6 min时达到最大，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白EAI与ESI均高于2 g/100 mL大豆11S球蛋白。研究表明，蛋白的乳化特性与其聚集状态、表面疏水性以及巯基含量有关;蛋白的解聚与二硫键的断裂导致游离巯基含量升高，表面疏水性提高，使蛋白分子向油-水界面移动与重排的速率加快，提高了蛋白质的界面活性[32-33]。这与上述荧光光谱、表面疏水性以及巯基含量的分析结果一致。这表明射流空化处理使蛋白发生解折叠行为，游离巯基含量升高，进而提高其表面疏水性，使蛋白在油-水界面更好地展开，改善其乳化特性。但处理时间进一步延长，蛋白之间产生分子间作用力，荧光光谱中λmax发生蓝移，二级结构中的α-螺旋相对含量上升，β-转角相对含量下降，游离巯基交联形成二硫键，处理末期蛋白发生聚集，疏水基团内卷，其EAI和ESI也随之下降。射流空化处理过程中，5 g/100 mL大豆11S球蛋白的乳化特性始终优于2 g/100 mL大豆11S球蛋白，这是由于蛋白质的乳化特性主要与其表面疏水性有关[34]。上述结果表明，经射流空化处理大豆11S球蛋白，高质量浓度蛋白溶液的表面疏水性更高，导致5 g/100 mL 11S球蛋白的EAI及ESI均高于2 g/100 mL 11S球蛋白。 2.8 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白起泡特性的影响由图9可知，随射流空化处理时间的延长，2 g/100 mL和5 g/100 mL大豆11S球蛋白起泡性呈先升高后下降的趋势，且在处理6 min时起泡性达到最高，两种质量浓度11S球蛋白的泡沫稳定性呈现逐渐升高的趋势。蛋白质的起泡性与其巯基含量、两亲性以及蛋白的聚集状态有关。蛋白中游离巯基含量的增加使其表面疏水性增强，导致蛋白在气-液界面的表面张力降低，且蛋白分子的展开促进了蛋白在气-液界面重排，形成具有黏弹性的薄膜，进而改善了蛋白的起泡性[35-36]。由上述结果可知，射流空化处理可使蛋白中二硫键断裂，游离巯基含量上升，内部疏水基团暴露在分子表面，使蛋白分子在气-液界面的定向排列更加有序;由荧光光谱与傅里叶变换红外光谱分析结果可知，射流空化使蛋白发生解聚，从有序的结构转变为更加疏松的状态，伸展的蛋白分子间相互作用形成更稳定的二维网络结构和界面膜，使泡沫更好地形成并进一步稳定[37-38]。延长射流空化处理时间，大豆11S球蛋白的空间结构发生变化，射流空化的过度处理使蛋白发生聚集，导致蛋白移动到气-液界面的迁移速率降低，造成了起泡性降低。  图 9 射流空化处理时间对不同质量浓度大豆11S球蛋白起泡性（A）和泡沫稳定性（B）的影响
Fig. 9 Effect of jet cavitation treatment time on foaming capacity (A)and foam stability (B) of 11S globulin at different concentrations
在射流空化处理过程中，2 g/100 mL和5 g/100 mL大豆11S球蛋白泡沫稳定性呈逐渐升高的趋势，可能是由于射流空化的高强度处理使其结构更具柔性，阻止了泡沫的破裂。有研究表明，在高压环境下，肽链可形成网络结构，能够有效地提高泡沫稳定性[39]。随处理时间的延长，蛋白逐渐聚集，内部疏水基团内卷，降低了表面张力，起泡性下降，但泡沫稳定性几乎不变。荧光光谱分析结果表明，在射流空化处理末期蛋白的λmax发生蓝移，蛋白发生聚集，提高了其黏性和柔韧性，形成的气-液界面更致密，可有效防止因外部形变而导致界面膜破裂的现象，提高泡沫稳定性。Guo Fengxian等[40]的研究也发现了蛋白聚集体能够提高蛋白的泡沫稳定性。 在射流空化处理过程中，5 g/100 mL大豆11S球蛋白的起泡性和泡沫稳定性总体高于2 g/100 mL，这可能是因为高质量浓度蛋白的亚基或多肽链之间相互接触机率更大，更易在射流空化腔体内发生有效碰撞，导致蛋白结构的打开程度更大，表面张力的降低使其更易在溶液界面相互作用成膜;延长处理时间，蛋白迁移到气-液界面的速率降低，起泡性下降，而蛋白的聚集现象使蛋白在气-液界面形成致密的界面膜，导致泡沫稳定性升高，5 g/100 mL大豆11S球蛋白的聚集更加明显，因此，不同质量浓度11S球蛋白的起泡特性在射流空化处理下出现了差异。 3 结 论以大豆11S球蛋白为研究对象，探究不同射流空化处理时间对不同质量浓度的大豆11S球蛋白结构与功能特性的影响。荧光光谱结果表明，2 g/100 mL与5 g/100 mL大豆11S球蛋白的荧光λmax呈先红移后蓝移的趋势，荧光强度呈先升高后降低的趋势，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白λmax均大于2 g/100 mL;傅里叶变换红外光谱分析表明，2 g/100 mL大豆11S球蛋白的α-螺旋相对含量呈现先下降后上升的趋势、β-折叠相对含量呈现下降趋势，β-转角相对含量呈先上升后下降的趋势，无规卷曲相对含量变化不明显;5 g/100 mL大豆11S球蛋白的α-螺旋相对含量呈现先下降后上升的趋势、β-折叠与β-转角相对含量呈下降趋势，无规卷曲相对含量呈现先上升后下降的趋势;2 g/100 mL与5 g/100 mL大豆11S球蛋白表面疏水性、羰基与游离巯基含量均呈先升高后下降的趋势，二硫键含量呈现先下降后上升的趋势;以上结果表明，射流空化可使蛋白结构展开，延长处理时间，蛋白逐渐聚集，质量浓度为5 g/100 mL的大豆11S球蛋白与2 g/100 mL相比，暴露程度更大，在蛋白发生聚集时也更加明显。射流空化处理后2 g/100 mL与5 g/100 mL大豆11S球蛋白的溶解度、乳化特性与起泡特性均得到明显改善，且5 g/100 mL大豆11S球蛋白的功能特性更佳，本实验为深入了解射流空化改性大豆蛋白的作用机理提供了理论依据和参考。 参考文献： [1] NISHINARI K, FANG Y, GUO S, et al. 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Effect of Jet Cavitation on the Structure and Functional Properties of Soybean 11S Globulin XIE Changyuan, WANG Zhongjiang, GUO Zengwang, ZHAI Yuyu, TENG Fei*, LI Yang*
(School of Food Science, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China) Abstract: The effect of different durations of jet cavitation treatment on the structural (fluorescence spectrum, Fourier transform infrared spectrum, surface hydrophobicity, and the contents of carbonyl groups, sulfhydryl groups and disulfide bonds) and functional properties (solubility, emulsifying properties, and foaming properties) of soybean 11S globulin at different concentrations was investigated. The results indicated that with the prolongation of jet cavitation treatment time,the maximum absorption wavelength (λmax) of 11S globulin at concentrations of 2 and 5 g/100 mL showed a red shift first and then a blue shift (the higher the concentration, the higher the λmax), and the fluorescence intensity increased first and then decreased. The α-helix and β-sheet structure of 11S globulin at 2 g/100 mL were converted into β-turn. Toward the end of the treatment, β-turn was converted into α-helix, and the content of random coils did not change significantly during the entire treatment period; at 5 g/100 mL, the α-helix, β-sheet and β-turn were transformed into a random coil structure,and toward the end, the secondary structure was transformed from random coil and β-turn to α-helix and β-sheet. At both concentrations, the surface hydrophobicity and the contents of carbonyl groups and free sulfhydryl groups increased first and then decreased with increasing treatment time, while the opposite trend was found for the content of disulfide bonds. The solubility, emulsifying properties and foaming properties were significantly improved by jet cavitation, and this effect was more obvious at 5 g/100 mL than at 2 g/100 mL. These results showed that jet cavitation can change the structure of soybean Keywords: jet cavitation; soybean 11S globulin; structure; functional properties
收稿日期：2019-04-23 基金项目：山东省禹城市第一批“大禹英才”（创新B类）项目;黑龙江省自然科学基金项目（C2018024）; 黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划项目（NYPYSCT-2018163）; 中国博士后科学基金面上资助项目（2018M641798） *通信作者简介： 李杨（1981—）（ORCID: 0000-0001-8758-5512），男，教授，博士，研究方向为粮食油脂及植物蛋白工程。E-mail: liyanghuangyu@163.com 11S globulin, and consequently improve its solubility, foaming properties and emulsifying properties, resulting in more obvious unfolding and aggregation of soybean 11S globulin at 5 g/100 mL as well as more improved functional properties. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190423-319 中图分类号：TS210.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2020）09-0057-09 引文格式： 解长远, 王中江, 郭增旺, 等. 射流空化对大豆11S球蛋白结构和功能特性的影响[J]. 食品科学, 2020, 41(9): 57-65.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190423-319. http://www.spkx.net.cnXIE Changyuan, WANG Zhongjiang, GUO Zengwang, et al. Effect of jet cavitation on the structure and functional properties of soybean 11S globulin[J]. Food Science, 2020, 41(9): 57-65. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190423-319. http://www.spkx.net.cn
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